生活污泥-厨余-存量垃圾多元物料蚯蚓堆肥工艺及应用环境风险评估

韦茜佳，周若昕，李娜英，李 浩，韩智勇①

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059；2.国家环境保护水土污染协同控制与联合修复重点实验室，四川 成都 610059；3.成都理工大学生态环境学院，四川 成都 610059)

在垃圾分类大背景下，如何有效利用各种新型处理技术和工艺，加强对城市有机固体废物包括生活污泥、生活垃圾、存量垃圾等的资源化处理，已受到广大科研人员关注。污泥作为城镇污水处理的终端副产物，N、P含量丰富，含水率、有机质含量以及微生物活性均较高，年产量高达6 000万t，且年均增速超过10%[1-2]。但由于污泥存在大量病原菌、难降解有机物及重金属等有毒有害物质而被禁止农用，目前主要的处置方式仍是填埋，因此如何实现污泥高效资源化利用面临着巨大挑战[3-4]。截至2019年底，我国45.59%的城市垃圾以卫生填埋的方式进行处理，其在今后很长一段时间仍将是我国城市垃圾的主要处置手段[5-6]，对老旧垃圾填埋场的整治、开采及填埋场中存量垃圾的处理处置也是目前城市固体废物亟需解决的问题。存量垃圾筛下物(类土物质)是填埋场开采的主要成分之一，其粒径较小、持水能力强、孔隙率高、容重低，不含高浓度、高风险的有毒物质，是一种极具价值的生物资源，但利用难度较高[7-8]。同时，厨余垃圾作为城市生活垃圾的重要组成部分，年产量约为9 000万t[9]，由于其具有高含水率、丰富的有机物以及易腐烂等特点，处理处置难度较高。

目前，国内外主要采用回收、填埋、堆肥和焚烧4种方式处理有机垃圾，4种方式均有一定的优势，但存在的问题也不容忽视[10-12]。好氧堆肥工艺成熟且产品肥效稳定，但降解环节耗能较高，占地面积大，肥料易导致土壤碱化[13]。大量文献表明，蚯蚓堆肥是一种高效可行且具有良好经济效益的有机固废处理技术。也有研究指出，有机垃圾不宜单独堆肥，进行多元物料混合堆肥可弥补单一物料存在的缺陷[14-16]。GARG等[17]利用污泥、牛粪、和沼气厂泥浆混合后进行蚯蚓堆肥，加速了堆肥腐熟，且堆肥产品矿化程度高、稳定性好。DAS等[18]研究了污泥、牛粪和土壤进行蚯蚓堆肥的可行性，结果表明3种物料混合基质适宜蚯蚓生长，且富含植物营养元素。BHAT等[19]研究证明，牛粪与污泥进行混合堆肥，可消除有毒气体，有效提高蚯蚓存活率和生长状况。YADAV等[20]的研究结果同样证明，在控制好物料配比的前提下，多元物料混合可以显著提升蚯蚓堆肥过程中酶和微生物的活性。现有研究中，污泥常与畜禽粪便、植物废弃物组合进行蚯蚓堆肥，而污泥、厨余垃圾、存量垃圾3种物料混合蚯蚓堆肥鲜有研究报道，其堆肥产品的风险也尚不清楚。

综上，目前对于城市有机固体废物的资源化利用技术还有待探索，研究有效、经济、可行的有机固体废弃物处理方法，对于有机肥生产、能源回收利用都具有重要意义。污泥、存量垃圾和厨余垃圾分别是目前主要的城市有机固体废物，研究污泥-厨余-存量垃圾多元物料蚯蚓堆肥工艺及其应用效果和风险，可为城市有机固体废物管理提供更多安全、有效的资源化利用途径。

1 材料与方法

1.1 供试材料

污泥取自成都市某污水处理公司，试验前进行预堆肥，将含水率降至70%左右。厨余垃圾取自某大学中央厨房，主要为菜皮、菜叶、菜头及果皮，堆肥前利用破碎机粉碎；存量垃圾取自成都市某垃圾填埋场，现场粗筛后过0.35 mm孔径筛，取筛下物(类土物质)备用。原料理化性质见表1。

表1 堆肥原料理化性质

蚯蚓为赤子爱胜蚓(Eiseniafoetida)，取自成都市某污水处理公司。选用两侧开孔(孔径5 mm)的长方形黑色透明塑料饲养箱(22.6 cm×15.1 cm×11.0 cm)作为蚯蚓堆肥反应器。蚯蚓堆肥产品风干后研磨过2 mm孔径筛备用；供试土壤取自某大学周边的农田土，风干后研磨过2 mm孔径筛。黑麦草(Loliumperenne)为美利达多年生品种，购于青县盛辉农业技术推广中心。

1.2 试验方法

1.2.1蚯蚓堆肥

研究采用正交试验，对污泥和厨余垃圾混合质量比(A)、存量垃圾添加比例(B)、蚯蚓接种数量(C)分别设置4个水平并进行堆肥试验(表2)。堆肥期间温度控制在(23±2) ℃，含水率维持在70%左右，堆肥周期为45 d。试验期间每15 d取1次样，观察蚯蚓的生长状况，统计蚯蚓数量并称重记录。堆肥物料采用多点混合采样，样品用于测定物料的有机质含量及种子发芽指数。

表2 各处理对应的因素及水平

1.2.2蚯蚓堆肥的林业应用

盆栽实验采用直径16.5 cm、高10.5 cm的花盆，每盆装1 kg土壤和最佳工艺所得堆肥产品的混合物，堆肥施加比例分别为0、5%、10%、20%、30%、40%和50%，每个比例设1个盆栽试验和1个平行试验，分别播撒50粒黑麦草种子。将盆栽置于冷光源植物生长箱中培养，定期浇水，使持水量保持在最大田间持水量的70%。50 d后收获黑麦草，测定其生长状况，并采集各盆栽土样测定土壤性质。

1.3 测定指标及方法

蚯蚓生长指标为蚯蚓日增重倍数(Ma)，计算公式为

(1)

(2)

式(1)～(2)中，Wavg，t为堆肥t天的蚯蚓平均体重，g；Wt为堆肥t天的蚯蚓总重，g；n为蚯蚓总条数，条；Wavg为蚯蚓初始平均体重；t为堆肥天数，d。

堆肥及土壤样品有机质含量参照HJ 761—2015《固体废物有机质的测定 灼烧减量法》测定，总氮含量参照HJ 717—2014《土壤质量 全氮的测定 凯氏法》测定，总磷含量参照HJ 632—2011《土壤 总磷的测定 碱熔-钼锑抗分光光度法》测定，速效钾含量采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定；种子发芽指数参照CJJ 52—2014《生活垃圾堆肥处理技术规范》中萝卜种子培养法测定。

植物收获后，用直尺测量得到株高和根长，杀青烘干后采用硝酸-高氯酸消解法进行消解；堆肥、土壤和植物样品重金属含量采用高压密闭消解-火焰光度法测定[21]。

1.4 评价方法

1.4.1综合评分法

采用综合评分法对正交试验堆肥结束时的蚯蚓日增重倍数、种子发芽指数(GI，IG)及有机质降解率3个指标进行综合分析[22-24]，综合评分公式为

(3)

式(3)中，S为综合得分；Ma为蚯蚓日增重倍数；Ma，max为蚯蚓日增重最大倍数；IG为种子发芽指数；IG，max为种子发芽指数最大值；C为有机质降解率，%；Cmax为有机质最大降解率，%。

1.4.2潜在生态风险评价

采用潜在生态风险指数法对土壤重金属进行生态风险评价[25]，其计算公式为

(4)

(5)

(6)

表3 生态风险评价指数与分级标准

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2019进行试验数据处理和极差分析，采用Origin 2018绘图，采用SPSS 25.0对数据进行方差分析和显著性分析。

2 结果与讨论

2.1 蚯蚓日增重倍数

蚯蚓日增重倍数如图1所示。A4处理组的蚯蚓生长状况较差，除A4B3C2在前15 d的蚯蚓日增重倍数为正数外，其余A4处理组在0～45 d均为负数。堆肥结束时，A4B1C4、A4B2C3和A4B3C2的蚯蚓日增重倍数分别为-5.35×10-3、-4.02×10-3和-1.13×10-3，表明添加50%厨余垃圾的A4处理组中蚯蚓生长状况较差，存活率较低。这是因为厨余垃圾含量过高，导致堆体的电导率及氨氮含量过高，堆体中氧含量下降，有机物质发生了厌氧降解，产生了甲烷、氨、乙酸等易导致蚯蚓死亡的气体[27]。GARG等[28]研究表明，适宜蚯蚓堆肥的pH值为7.5左右，而A4处理组堆肥期间pH值在前30 d均低于7，之后缓慢上升并稳定在7.3左右，偏低的pH值也可能是蚯蚓生长状况不良的原因之一。

A1处理组的蚯蚓日增重倍数在前30 d达最大值，范围为8.80×10-3～9.59×10-3，随后降低；A2、A3处理组的蚯蚓日增重倍数在前15 d达最大值，范围分别为9.10×10-3～1.37×10-2、1.20×10-2～1.76×10-2，随后降低，30 d后又逐渐增加。这可能是由于堆肥物料中加入蚯蚓后，前期营养物质充足，蚯蚓适应环境后快速生长繁殖，体重明显增加，随着蚯蚓堆肥的进行，堆肥底物中的营养物质逐渐被消耗，蚯蚓的食物以及可利用的营养元素减少[29]，导致蚯蚓体重下降及部分死亡；A2和A3之后又上升可能是因为一些不易被降解利用的营养物质经微生物降解后被蚯蚓吸收，从而促进了蚯蚓的生长。

除A4处理组外，C4各处理日增重倍数均值(8.26×10-3)大于C3(8.23×10-3)和C2(6.76×10-3)，表明在堆肥前期，蚯蚓接种数量越多，蚯蚓日增重倍数越大。蚯蚓堆肥结束时，A2B3C4、A2B4C3、A3B1C3和A3B2C4的蚯蚓日增重倍数分别为9.06×10-3、9.37×10-3、9.72×10-3和9.79×10-3，均大于9×10-3，表明这几组处理更有利于蚯蚓生长。

2.2 堆肥过程中理化指标变化

2.2.1有机质

有机质含量变化如图2所示。整个堆肥过程中有机质含量均呈下降趋势，在堆肥后期下降较为缓慢并逐渐趋于稳定。在堆肥初期，初始物料中有机质含量最高的是A4B1C4(52.46%)，最低的是A1B4C4(30.09%)。不同有机质含量物料的比例直接影响了堆肥物料有机质含量，物料有机质含量随厨余垃圾添加量的增加而增高，随存量垃圾添加量增加而降低。堆肥结束时，各处理有机质含量都有明显下降。其中A3(19.38%)、A4(22.65%)处理组的有机质平均降解速率明显高于A1(14.14%)、A2(10.37%)；未添加蚯蚓处理C1(13.38%)的有机质平均降解速率明显低于投加蚯蚓的C2(15.60%)、C3(18.86%)、C4(18.69%)处理，说明向堆肥中投加蚯蚓能加速有机质的降解，且初始物料比例直接影响蚯蚓对有机物的降解速率[30]。

有机质的降解主要发生在堆肥前期和中期，蚯蚓肠道能调节微生物的生物活性以及群落结构，加快微生物的生长及繁殖，强化微生物对有机物的降解作用[31-32]。因此，一方面是由于蚯蚓和微生物迅速将污泥中的易降解有机物转化为自身生长所需的营养物质，另一方面是因为蚯蚓活动增大了物料的孔隙度以及物料和微生物的接触面积，提高了微生物对有机物的降解速率。

2.2.2种子发芽指数

如图3所示，在初始堆肥物料中，各处理GI平均值表现为A1>A2>A3>A4、B1>B2>B3>B4，表明随着厨余垃圾和存量垃圾的增加，种子发芽指数均有所下降，初始物料的GI值为49%～75%，随着堆肥的进行，各处理GI值均有明显上升。

在堆肥前15 d，A1、A2处理GI值增长速率较慢，主要是因为堆肥初期有机质快速降解产生的有机酸使堆肥物料具有植物毒性[33]。在15～45 d，各处理GI值均有明显增长，这归因于有毒化合物(盐、重金属、有机酸等)的分解和转化[34]。堆肥结束时，各处理GI值均达80%以上，其中A4B1C4的GI值最低，为86%；A3B2C4的GI值最高，为136%，说明堆肥产品不具备植物毒性，且基本达到腐熟[35]。A4处理组初始及堆肥全过程的平均GI值(96.83%)均明显低于其他处理，这可能跟物料中厨余垃圾含量过高有关。在相同的厨余垃圾和污泥配比下，未加蚯蚓的C1处理组明显低于添加蚯蚓的处理组，说明添加蚯蚓能明显提高物料的种子发芽指数，减少植物毒性，可能是蚯蚓的活动协调了氨氮和硝酸盐氮含量，调节了堆体pH值[36]。

2.3 堆肥工艺分析

2.3.1最佳工艺筛选

由图1、3可知，未加蚯蚓的C1处理组有机质降解率均值最低，且污泥和厨余垃圾质量比为1∶1的A4处理组蚯蚓日增重倍数为负数，故C1处理组、A4处理组不参与蚯蚓堆肥最佳工艺优化。用综合评分法对试验进行极差分析和方差分析(表4～5)，各因素对蚯蚓堆肥的影响次序依次为污泥和厨余垃圾配比(2.758)>蚯蚓接种比(2.433)>存量垃圾添加比(2.381)，蚯蚓堆肥最优工艺组合为A3B2C3，即污泥和厨余垃圾质量比为7∶3，存量垃圾添加比例为5%，蚯蚓接种数量为33条·kg-1。污泥和厨余垃圾配比会显著影响蚯蚓堆肥效果，存量垃圾添加比和蚯蚓接种量对蚯蚓堆肥无显著影响。

表4 正交试验极差分析结果

表5 试验数据方差分析结果

2.3.2最佳工艺验证

根据上述得到的最佳工艺进行蚯蚓堆肥，45 d后测定蚯蚓日增重倍数、种子发芽指数及堆肥前后的有机质降解率，结果如表6所示，最佳工艺A3B2C3的蚯蚓日增重倍数、有机质降解率及种子发芽指数均高于正交试验中效果最好的A3B2C4。

表6 蚯蚓堆肥最佳工艺效果验证

2.4 蚯蚓堆肥对黑麦草生长的影响

2.4.1黑麦草株高和根长

黑麦草收获后其生长形态、株高及根长如图4所示。

与对照组相比，施加比例为5%～40%堆肥产品处理黑麦草株高显著增加，增幅为11%～39%，施加比例为50%处理株高降低12%，说明适当施用蚯蚓堆肥能促进黑麦草的生长，但施用过多则会抑制生长，这与JOSHI等[37]的研究一致。根长变化情况和株高类似，与对照组相比，施加比例为10%和20%处理根长最长，分别增加49%和39%，施加比例为50%处理根长则降低40%，这是因为土壤中添加过多的蚯蚓堆肥导致营养物质和重金属含量过高，从而影响了黑麦草的正常生长。有研究表明，施用蚯蚓堆肥可提高土壤有机质、氮、磷含量，促进植物根系的发育和活性，并促进植物对水分和养分的吸收[38-39]。此外，蚯蚓堆肥还具有类似激素的作用，可促进根的生长，增加根长及根生物量，促进植物生长发育[40]。

2.4.2黑麦草重金属含量

如表7所示，随着蚯蚓堆肥施加比例的增加，黑麦草茎叶Cr、Cu、Zn、Ni、As含量均呈上升趋势，Cr、Cu、Zn、Ni、As含量分别由0.27、1.84、9.23、0.50、0.020 mg·kg-1上升至0.50、3.51、14.39、0.81、0.038 mg·kg-1。其中，Zn含量最高，As含量最低，可能是由于栽培用土中Zn的土壤背景值(86.5 mg·kg-1)较高，作为堆肥原料的污泥中Zn含量也最高，不稳定态占比较大(30%～65%)[41]，导致其更易被植物吸收利用。

表7 黑麦草茎叶重金属含量

2.5 蚯蚓堆肥对土壤的影响

2.5.1蚯蚓堆肥及土壤特性

由表8可知，污泥-厨余-存量垃圾多元物料蚯蚓堆肥的pH值、种子发芽指数、有机质、总养分及重金属含量符合GB/T 23486—2009《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》相关要求，施加10%堆肥的土壤各项指标符合CJ/T 340—2016《绿化种植土壤》中Ⅱ级标准，说明蚯蚓堆肥可用于园林绿化，提高土壤肥效。同时，尽管污泥被禁止作为农用有机肥的原料，但其部分指标仍满足NY/T 525—2021《有机肥料》要求。

表8 蚯蚓堆肥指标与肥料施用标准的比较

2.5.2土壤有机质及营养物质含量

施加蚯蚓堆肥能明显提高土壤有机质含量，随着施加比例的增加，有机质含量也相应提高。添加5%、10%、20%、30%、40%、50%蚯蚓堆肥处理土壤有机质含量分别增加1.07%、2.34%、4.34%、7.11%、8.56%、10.70%，相比对照组提高0.17～1.72倍。黑麦草收获后，土壤的有机质含量相比种植前均有所下降，各处理的有机质含量分别下降3.16%、4.68%、4.83%、4.39%、4.48%、4.73%、2.85%，其中对照组有机质含量降幅最低(图5)。

土壤中施加蚯蚓堆肥后，总氮、总磷以及速效钾含量均随施加比例的增加有不同程度升高(图5)。施加比例为50%处理总氮、总磷和速效钾含量增幅最大，分别达6.69、5.96和0.42 mg·g-1。收获黑麦草后，各处理的土壤总氮、总磷及速效钾含量均有所降低，总氮含量降幅为5.48%～25.92%，总磷含量降幅为2.29%～13.00%，速效钾含量降幅为1.93%～9.65%。其中，施加比例为20%处理总氮、总磷和速效钾含量降幅最为明显。

2.5.3土壤重金属含量

随着蚯蚓堆肥施加比例的增加，Cr、Cu、Zn、Ni、As含量均明显增加。5种重金属中，含量最高的是Zn，其次是Cr和Cu(表9)。黑麦草收获后，与种植前相比，各处理土壤重金属含量均有所下降，且各处理土壤重金属含量随蚯蚓堆肥施加比例的增加而上升的趋势不变。

表9 种植黑麦草前后土壤重金属含量

2.6 潜在生态风险评价

如表10所示，各处理各重金属潜在生态风险指数Er均小于40，综合潜在生态风险指数RI均小于150，风险程度均为轻微生态危害。5种重金属中，Cu对土壤环境的潜在生态风险最大(Er=17.69)，其次是As(Er=6.45)，Cr、Zn、Ni的潜在生态风险指数较低，Er为1.06～4.18。随蚯蚓堆肥施加比例的增加，潜在生态风险指数均有所升高，单一重金属潜在生态风险指数和综合潜在生态风险指数最高的均是施加50%蚯蚓堆肥的处理，与未施加蚯蚓堆肥的土壤相比，Cr、Cu、Zn、Ni、As的潜在生态风险指数分别上升16.58%、119.58%、213.23%、265.50%、21.97%，综合潜在生态风险指数上升94.10%。

表10 施加不同比例蚯蚓堆肥的土壤重金属潜在生态风险指数(Er)评价结果

蚯蚓堆肥施用次数的增加会导致重金属潜在生态风险上升，但由于堆肥本身重金属含量相对较低，其Cu潜在生态风险指数最大值为35.09，蚯蚓堆肥施加比例为20%时，Cu对土壤环境的生态风险前期随着施加次数增加迅速升高，累计施加30次后趋于稳定(Er=35.04)，此后生态风险将不再随施用次数增加产生明显变化，并最终维持在轻微水平(Er=35.09)；当施加比例为10%时，风险程度也均为轻微生态危害。鉴于黑麦草的生长状况在施加比例为10%和20%时无显著差异(图4)，实际应用以蚯蚓堆肥施加比例10%为宜。

3 结论

(1)污泥中添加厨余垃圾和存量垃圾能够有效改善物料的理化性质，提高其肥料价值，并促进蚯蚓生长。蚯蚓堆肥能够加速有机质的降解速率，提高种子发芽指数，加速堆肥的腐熟。

(2)污泥和厨余垃圾配比会显著影响多元物料蚯蚓堆肥效果，堆肥最佳工艺组合如下：污泥和厨余垃圾质量比为7∶3，存量垃圾添加比例为5%，蚯蚓接种数量为33 条·kg-1。

(3)污泥-厨余-存量垃圾多元物料蚯蚓堆肥各指标满足GB/T 23486—2009和NY/T 525—2021标准的相关要求，施加10%堆肥的混合土壤各项指标符合CJ/T 340—2016中Ⅱ级标准。

(4)施用蚯蚓堆肥能有效提高土壤有机质、总磷、总氮和速效钾含量，施加比例为20%时黑麦草生长状况最佳，但施加比例大于40%时会对植物生长起抑制作用。

(5)土壤和黑麦草中重金属含量均随蚯蚓堆肥施加比例的上升而明显增加，其潜在生态风险均为轻微水平，堆肥按20%比例多季施用，不会使生态风险超过轻微水平；综合肥效和生态风险，堆肥施加比例宜设定为10%。